I ricercatori che giocano con una nuvola di atomi ultrafreddi hanno scoperto un comportamento che ha una sorprendente somiglianza con l'universo nel microcosmo. Il loro lavoro, che crea nuove connessioni tra la fisica atomica e l'improvvisa espansione dell'universo primordiale, è stato pubblicato il 19 aprile in Revisione fisica X e presentato in Fisica .

"Dal punto di vista della fisica atomica, l'esperimento è magnificamente descritto dalla teoria esistente, "dice Stephen Eckel, un fisico atomico presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) e l'autore principale del nuovo articolo. "Ma ancora più sorprendente è il modo in cui questa teoria si collega alla cosmologia".

In diverse serie di esperimenti, Eckel e i suoi colleghi hanno rapidamente ampliato le dimensioni di una nuvola di atomi a forma di ciambella, scattare istantanee durante il processo. La crescita avviene così velocemente che la nuvola viene lasciata canticchiare, e un relativo ronzio potrebbe essere apparso su scale cosmiche durante la rapida espansione dell'universo primordiale, un'epoca che i cosmologi chiamano il periodo dell'inflazione.

Il lavoro ha riunito esperti di fisica atomica e gravità, e gli autori affermano che è una testimonianza della versatilità del condensato di Bose-Einstein (BEC), una nuvola di atomi ultrafreddi che può essere descritta come un singolo oggetto quantistico, come piattaforma per testare idee da altre aree della fisica.

"Forse questo un giorno informerà i futuri modelli di cosmologia, " dice Eckel. "O viceversa. Forse ci sarà un modello di cosmologia difficile da risolvere ma che potresti simulare usando un gas atomico freddo".

Non è la prima volta che i ricercatori collegano BEC e cosmologia. Studi precedenti imitavano i buchi neri e cercavano analoghi della radiazione prevista per uscire dai loro confini oscuri. I nuovi esperimenti si concentrano invece sulla risposta del BEC a una rapida espansione, un processo che suggerisce diverse analogie con quanto può essere accaduto durante il periodo di inflazione.

La prima e più diretta analogia riguarda il modo in cui le onde viaggiano attraverso un mezzo in espansione. Una situazione del genere non si presenta spesso in fisica, ma è successo durante l'inflazione su larga scala. Durante tale espansione, lo spazio stesso ha allungato le onde a dimensioni molto più grandi e ha rubato loro energia attraverso un processo noto come attrito di Hubble.

In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno individuato caratteristiche analoghe nella loro nuvola di atomi. Hanno impresso un'onda sonora sulla loro nuvola, alternando regioni di più atomi e meno atomi attorno all'anello, come un'onda nell'universo primordiale e l'ho guardata disperdersi durante l'espansione. Non sorprende, l'onda sonora si distese, ma anche la sua ampiezza è diminuita. La matematica ha rivelato che questo smorzamento sembrava proprio l'attrito di Hubble, e il comportamento è stato catturato bene da calcoli e simulazioni numeriche.

"È come se stessimo colpendo il BEC con un martello, "dice Gretchen Campbell, il co-direttore del NIST del Joint Quantum Institute (JQI) e coautore del documento, "ed è un po' scioccante per me che queste simulazioni replichino così bene quello che sta succedendo".

In una seconda serie di esperimenti, la squadra ne ha scoperto un altro, analogia più speculativa. Per questi test hanno lasciato il BEC libero da qualsiasi onda sonora ma hanno provocato la stessa espansione, guardando il BEC svolazzare avanti e indietro fino a quando non si è rilassato.

In un modo, quel rilassamento somigliava anche all'inflazione. Parte dell'energia che ha guidato l'espansione dell'universo alla fine ha finito per creare tutta la materia e la luce intorno a noi. E sebbene ci siano molte teorie su come ciò sia accaduto, i cosmologi non sono esattamente sicuri di come quell'energia residua sia stata convertita in tutte le cose che vediamo oggi.

Nel BEC, l'energia dell'espansione è stata rapidamente trasferita a cose come le onde sonore che viaggiano intorno all'anello. Alcune prime ipotesi sul perché ciò stesse accadendo sembravano promettenti, ma non sono riusciti a prevedere con precisione il trasferimento di energia. Quindi il team si è rivolto a simulazioni numeriche in grado di catturare un'immagine più completa della fisica.

Ne è emerso un resoconto complicato della conversione energetica:dopo che l'espansione si è interrotta, gli atomi sul bordo esterno dell'anello colpiscono il loro nuovo, confine espanso e veniva riflesso verso il centro della nuvola. Là, interferivano con gli atomi ancora in viaggio verso l'esterno, creando una zona nel mezzo dove quasi nessun atomo potrebbe vivere. Gli atomi su entrambi i lati di quest'area inospitale avevano proprietà quantistiche non corrispondenti, come due orologi vicini che non sono sincronizzati.

La situazione era altamente instabile e alla fine è crollata, portando alla creazione di vortici in tutto il cloud. Questi vortici, o piccoli vortici quantistici, si spezzerebbe e genererebbe onde sonore che percorrevano l'anello, come le particelle e le radiazioni rimaste dopo l'inflazione. Alcuni vortici sono anche fuggiti dal bordo del BEC, creando uno squilibrio che ha lasciato la nuvola in rotazione.

A differenza dell'analogia con l'attrito di Hubble, la complicata storia di come gli atomi scroscianti possano creare dozzine di vortici quantistici potrebbe non avere alcuna somiglianza con ciò che accade durante e dopo l'inflazione. Ma Ted Jacobson, un coautore del nuovo articolo e un professore di fisica presso l'Università del Maryland specializzato in buchi neri, afferma che la sua interazione con i fisici atomici ha prodotto benefici al di fuori di questi risultati tecnici.

"Quello che ho imparato da loro, e dal pensare così tanto a un esperimento del genere, sono nuovi modi di pensare al problema cosmologico, " Jacobson dice. "E hanno imparato a pensare ad aspetti del BEC a cui non avrebbero mai pensato prima. Resta da vedere se siano utili o importanti, ma è stato sicuramente stimolante".

Eckel fa eco allo stesso pensiero. "Ted mi ha fatto pensare ai processi nei BEC in modo diverso, " lui dice, "e ogni volta che ti avvicini a un problema e puoi vederlo da una prospettiva diversa, ti dà una migliore possibilità di risolvere effettivamente quel problema."

Esperimenti futuri potrebbero studiare più da vicino il complicato trasferimento di energia durante l'espansione, o anche cercare ulteriori analogie cosmologiche. "La cosa bella è che da questi risultati, ora sappiamo come progettare esperimenti in futuro per mirare ai diversi effetti che speriamo di vedere, " dice Campbell. "E come i teorici escogitano modelli, ci fornisce un banco di prova in cui potremmo effettivamente studiare quei modelli e vedere cosa succede".